消毒副產物（HAAs + THMs）生成機制與控制技術探討─總計畫及子計畫三:奈米薄膜處理對自來水中消毒副產物有機前質之去除研究(1/3)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

總計畫及子計畫三:奈米薄膜處理對自來水中消毒副產物有

機前質之去除研究(1/3)

中 華 民 國 93 年 5 月 31 日

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

奈米薄膜處理對自來水中消毒副產物有機前質之去除研究

Nanofiltration Process for Removing the Organic Precursors of

Disinfection By-Products in Portable Water

計畫編號：NSC 92-2211-E-002-055 執行期限：92 年8 月1 日至93 年7 月31 日 主持人：蔣本基教授 國立台灣大學環境工程學研究所 計畫研究人員：林怡利 國立台灣大學環境工程學研究所 一、計畫緣由與目的 目前的自來水處理程序多屬傳統 式，對於微量與小分子有機物的去除 效果有限。這些水源中的有機物造成 加氯處理後許多消毒副產物（DBP） 的生成；其中又以三鹵甲烷類（THM） 與含鹵乙酸類（HAA）的消毒副產物 特別受到重視，其中有些物種可能或 確定會對人體產生健康危害如致癌性 或是致突變性等。 奈 米 薄 膜 程 序 （ Nanofiltration, NF）因其具有需添加之化學藥劑極 少、操作維護之能量需求低、建造設 計之彈性很大，及可移除大範圍物質 如細菌、病毒、消毒副產物之前質、 溶解性有機物、色度、顆粒等，並可 針對不同的原水水質或不同的用水目 的而選擇適當的薄膜材質等優點，故 本研究選擇其作為改善自來水水質與 減少消毒副產物生成研究的主題。 因薄膜應用在實際運用上所面臨 之最大問題在於積垢的產生，造成水 流通量降低，縮短薄膜之壽命，增加 操作壓力與清洗之頻率，造成操作上 的不經濟。故本研究將以奈米薄膜針 對水中消毒副產物生成前質的去除效 能進行評估，探討水源中不同有機前 質特性與鈣離子、以及不同之實驗條 件對奈米薄膜處理效能之影響。 二、研究方法 以 目 標 有 機 物 （ resorcinol 、 phloroglucinol 、 m-hydroxybenzoic acid、tannic acid）做為消毒副產物有 機前質，進行NF薄膜過濾實驗。選用 之NF薄膜特性如表1所示，研究裝置如 圖1所示。 水樣可分為單獨有機物之分離實 驗及有機物與鈣離子共同存在時之分 離 實 驗 （ 以 CaSO4控 制 鈣 離 子 之 濃 度）。以HCl及NaOH控制pH值（3、5、 7、9、10），以瞭解不同有機物帶電特 性對薄膜過濾之影響。 藉由量測TOC濃度、UV吸收值、 鈣離子濃度等水質參數，評估NF薄膜 對於目標溶質的處理效率，並透過單 位時間滲出水量的收集，觀察薄膜滲 流率的變化。 三、結果與討論 3-1 NF薄膜特性與操作條件對操作效 能之影響 在 開 始 對 目 標 有 機 物 進 行 實 驗 前，先對NF薄膜進行截留分子量評 估 。 以 不 同 分 子 量 之 中 性 溶 質 進 行 NF70薄膜過濾（壓力為70psi，掃流速 度為0.2 m/s），結果如圖2所示。可以 發現在低分子量的地方，實驗數據較 無規律，呈現不規則跳動的情況；對

率明顯的增加；對於分子量大於200 Dalton的溶質，去除率均高於95％，故 可以得知NF 70薄膜可截留大部分分 子量大於200 Dalton的溶質；然而在模 擬薄膜之去除率時，不應單獨以分子 量作為考量，因單以分子量並無法表 示 出 溶 質 的 幾 何 形 狀 與 相 關 物 化 特 性，且無法表示出不同操作條件對薄 膜過濾之影響。 接 下 來 針 對 不 同 操 作 條 件 （ 壓 力、掃流速度、過濾濃度）對薄膜之 過濾效能進行探討，採用單一電解質 （NaCl）進行過濾實驗。圖3為操作壓 力對NF70薄膜之濾液通量與NaCl去除 效果之影響，可以發現穩態的濾液通 量均隨著操作壓力的增加而成線性增 加，表示此時操作之阻力來自於薄膜 本 身 ， 薄 膜 表 面 並 無 濃 度 極 化 的 現 象。由圖中也可發現，去除率隨著操 作壓力的增加而逐漸提高，但增加趨 勢和緩，可知NF 70薄膜對NaCl的處除 效 果 已 達 極 限 ， 即 使 再 增 加 操 最 壓 力，對去除率的提升也十分有限。 圖4為掃流速度對NF70薄膜之濾 液 通 量 與 NaCl 去除效 果之影響關係 （70 psi），可以發現掃流速度增加對濾 液通量的增加幾乎沒有影響，且去除 率並沒有隨著掃流速度的增加而有明 顯的改變，因此可推斷在此操作條件 下無濃度及化層的存在，過濾之阻力 均來自於薄膜本身，故掃流速度對濾 液通量與去除率之影響並不明顯。 圖5為過濾濃度對NF70薄膜之濾 液通量與NaCl去除效果之影響關係。 可以發現進流濃度增加時，濾液通量 明顯遞減，去除率先增微增而後也明 顯 遞 減 ， 故 若 欲 處 理 高 濃 度 之 溶 質 時，應先作預處理實驗，以確立薄膜 處理之效能，必要時需添加前處理單 元，以降低進流水濃度。 3-2 NF薄膜對目標有機物之去除效果 圖6為目標有機物濃度對NF70薄 離子存在）。可以發現對不同目標有機 物均可找到一最佳去除率之濃度，與 圖5之結果相同，去除率均有隨進流濃 度呈先增後減的現象，且去除率與分 子量有關。分子量最低之resorcinol去 除率均低於80％，而其他三種有機物 大部分可達80％以上之去除率。 圖7為目標有機物濃度在有鈣離 子存在下，對NF70薄膜除效果之影響 關 係 （ 70 psi ， 鈣 離 子 濃 度 ＝ 250 mg/L）。可以發現對不同目標有機物均 仍然可以找到一最佳去除率之濃度， 且此濃度比無鈣離子存在時之最佳去 除 濃 度 略 低 。 對 於 分 子 量 較 低 之 resorcinol與phloroglucinol來說，整體去 除率對濃度之關係曲線變化較和緩， 而3-hydrobinzoic acid 與tannic acid則 會隨著濃度的增加出現去除率驟減的 情況，有可能是帶正電的鈣離子與帶 負電的薄膜 圖8為目標有機物濃度對NF70薄 膜去除鈣離子效果之影響關係（70 psi）。 四、參考文獻

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Visvanathan, C., Marsono, B. D. and Basu, B., “Removal of THMFP by nanofiltration: effects of interference parameters”, Water Res. 32(12) (1998) 3527-3538. 表1 實驗NF薄膜之性質 項目 NF-70 薄膜材料 Thin-film composite (TFC, 0.2 μ m PA (crosslinked aromatic polyamide)+ 0.46μm PS (polysulfone)) 截 留 分 子 量 （MWCO） 200-500 Daltons 電性 負電荷 連續操作之 pH 值允 許範圍 3-9 最大允許操作壓力 1.7 MPa (250 psi ) 最大允許進流流率 21.67 LPM Concentrate Permeate Feed Membrane Cell 1 µm Cartridge Filter Balance P Feedwater Reservoir Temperature Control U it 工作站 Electromagnetic Valve 圖1 本研究之實驗裝置圖 0 20 40 60 80 100 0 200 400 600 Molecular Weight R ejecti o n ( % ) This research Bruggen et al., 1999 圖2 NF 70薄膜對不同分子量中性化合 物之去除率（70 psi） 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 Pressure (psi) Pe rm ea te Fl u x ( m /s ) 0 20 40 60 80 100 R ej ec tio n ( % ) 圖3 操作壓力對NF70薄膜之濾液通量 與NaCl去除效果之影響（掃流速度＝ 0.2 m/s） 0 50 100 150 200 0 0.2 0.4 0.6 Cross flow Velocity (m/s)

Pe rm ea te Flu x ( m /s ) 0 20 40 60 80 100 R ej ec tion (% ) 圖4 掃流速度對NF70薄膜之濾液通量 與NaCl去除效果之影響（70 psi） 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 Concentration (molar fraction)x10-4

P erm ea te F lu x (m /s ) 0 20 40 60 80 100 R ej ec tio n (% ) 圖5 過濾濃度對NF70薄膜之濾液通量 與NaCl去除效果之影響（70 psi）

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 2 4 6 8 10 Concentration (mg/L) T O C R ej ec ti on (% ) Resorcinol Phloroglucinol 3-Hydrobenzoic acid Tannic acid 圖6 目標有機物濃度對NF70薄膜去除 效果之影響（70 psi，無鈣離子存在） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 Concentration (mg/L) TO C R ej ec ti o n ( % ) Resorcinol Phloroglucinol 3-Hydrobenzoic acid Tannic acid 圖7 目標有機物濃度對NF70薄膜除效 果之影響（70 psi，鈣離子濃度＝250 mg/L） 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 2 4 6 8 10 Concentration (mg/L) Ca lc iu m Re je ct io n ( % Resorcinol Phloroglucinol 3-Hydrobenzoic acid Tannic acid 圖8 目標有機物濃度對NF70薄膜去除 鈣離子效果之影響（70 psi）